Парадоксът на EPR: Експериментът, който доказа съществуването на квантово заплитане

Квантовата теория, разработена в средата на 20-те години на 20-и век успешно обяснява свойствата и взаимодействията на атомите и молекулите. Въпреки това през 1935 година Алберт Айнщайн, Борис Подолски и Натан Розен предизвикват разгорещен дебат, като предлагат мисловен експеримент, който по-късно става известен като „Парадокс на EPR“. В този експеримент две свързани частици, които се движат в различни посоки показват мистериозна корелация в последващите си измервания. Тази корелация, на пръв поглед е парадоксална, защото измерването на едната частица изглежда влияе на другата, въпреки липсата на взаимодействие между тях и е била предмет на много изследвания и дискусии.

В съвременната терминология това явление е известно като квантово заплитане.

През 1964 година един физик си поставя за цел да провери експериментално това явление, като наблюдава корелация и заплитане в лабораторни условия. За целта е разработен прост експеримент, при който се използват видими фотони, излъчвани от възбудени калциеви атоми. Тези фотони, които не взаимодействат помежду си притежават определени поляризационни състояния, които могат да бъдат измерени с помощта на обикновени линейни поляризатори.

Същността на експеримента се състои в това, че два фотона, излъчени от един атом преминават през поляризатори, монтирани пред детекторите. В зависимост от ъгъла на завъртане на поляризаторите се променя броят на съвпаденията, регистрирани при преминаването на двата фотона през поляризаторите. Експериментът е замислен така, че да провери три ключови предсказания на квантовата теория:

1. Вероятността един фотон да премине през поляризатор е 50%, независимо от ориентацията му.
2. Ако осите на поляризаторите са успоредни и двата фотона могат да преминат през поляризаторите си и ще се наблюдават съвпадения.
3. Ако осите на поляризаторите са перпендикулярни, няма да се наблюдава съвпадение.

Първото и второто предсказание са в съответствие с класическата физика, тъй като светлинните лъчи са некохерентни. Третото предсказание обаче, свързано с квантовото заплитане няма аналог в класическата физика и представлява особен интерес.

След почти 3-годишни лабораторни изследвания експерименталните резултати показват, че теоретичните предсказания се потвърждават напълно: съвпадение се наблюдава за успоредни оси на поляризатори, но не и за перпендикулярни такива. Това показва ясното съответствие между теорията и експеримента.

Въпреки това остава въпросът: дали това е парадокс? В класическата механика поведението на жироскопа, например се обяснява напълно със законите на Нютон и не предизвиква парадокси. При квантовото заплитане е различно: въпреки, че квантовата теория точно предсказва експерименталните резултати, интуицията, основана на опита в класическия свят трудно осмисля подобни явления.

Ако всеки фотон има 50% шанс да премине през поляризатор, защо при перпендикулярни поляризатори не се наблюдават съвпадения в 25% от случаите? Този въпрос може би би могъл да се обясни с липсващ компонент на квантовата теория, но досега не са открити доказателства за такава теория.

Макар парадоксите на квантовата механика да изглеждат неразгадаеми, експерименти като описания в тази статия помагат за разширяване на разбирането и приемането на тези „странни, но прекрасни“ аспекти на природата.